原料預(yù)處理對SiC多孔陶瓷性能的影響

龔澤洲，張賀賀，徐榮琪，徐 慢,季家友

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430205)

市售的工業(yè)級SiC粉末通常是銳利的、不規(guī)整的、粒徑分布寬，會導(dǎo)致在樣品燒結(jié)的過程中顆粒流動性較差的問題。樣品在摻入氧化物或造孔劑后燒結(jié)的SiC多孔陶瓷存在低于或高于平均孔徑數(shù)倍的膜孔、孔徑分布較寬等問題[1-3]，使得燒結(jié)的SiC陶瓷性能較差，堆積密度較低，而預(yù)處理后的SiC粉可以制得較高堆積程度、較高強(qiáng)度的SiC陶瓷[4-6]。重結(jié)晶SiC多孔陶瓷不含晶界雜質(zhì)[7]，并且是通孔的結(jié)構(gòu)。原料的粒徑分布和顆粒形貌都對燒結(jié)有著重要的影響[8,9]。Nakagoshi、Liu、Rodaev等[10-12]的研究表明更規(guī)則的尺寸分布和均勻形貌的顆?？梢灾频每讖椒植颊亩嗫滋沾?，從而可以調(diào)高多孔陶瓷的過濾通量和精度。上述研究的燒結(jié)溫度均低于2 100 ℃(傳質(zhì)機(jī)理為表面擴(kuò)散)，論文采用高溫(≥2 150 ℃)重結(jié)晶燒結(jié)法(傳質(zhì)機(jī)理為蒸發(fā)-凝聚)探究預(yù)處理對不同傳質(zhì)機(jī)理重結(jié)晶燒結(jié)的SiC多孔陶瓷性能的影響?；谇捌趫F(tuán)隊(duì)積累的經(jīng)驗(yàn)，直接確定1 750 ℃作為最佳預(yù)處理溫度。系統(tǒng)研究了不同燒結(jié)溫度下預(yù)處理粉體、未經(jīng)預(yù)處理粉體、微粉重結(jié)晶燒結(jié)SiC多孔陶瓷的力學(xué)性能、開孔孔隙率、孔徑分布等性能，并對其燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了闡釋。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)500目SiC粉(D50=17.42 μm)；預(yù)處理的SiC粉(D50=17.60 μm)；10 000目SiC微粉(D50=1.55 μm)(以上粉料純度≥99%，產(chǎn)自平頂山易成新材料有限公司)。

2)聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)：K值為27.0～33.0，乙烯吡咯烷酮≤0.001%，灼燒殘?jiān)?.10%。

1.2 方法

對500目SiC微米粉進(jìn)行1 750 ℃預(yù)處理。選用500目SiC粉體、預(yù)處理500目SiC粉體作為粗顆粒，選用10 000目SiC粉體用作細(xì)顆粒。將500目SiC粉、10 000目SiC粉、3%聚乙烯吡咯烷K30(PVP),按照表1的比例混合攪拌后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥，取出SiC混合粉料在樣品袋中陳腐12 h，將陳腐后的粉料適當(dāng)研磨后，壓制素坯成型。

將素坯放于管式電阻爐在650 ℃(氮?dú)鈿夥?排膠。排膠后的素坯放置在SiC氣氛燒結(jié)爐中，分別在2 170 ℃、2 250 ℃、2 330 ℃(氬氣氣氛)常壓燒結(jié)得到SiC多孔陶瓷。將燒結(jié)后樣品放入到馬弗爐中除殘?zhí)迹髮iC陶瓷多孔陶瓷進(jìn)行XRD、SEM、抗彎強(qiáng)度、孔徑、體積密度和開孔孔隙率的表征。

表1 SiC粉原料配比

2 結(jié)果及分析

2.1 預(yù)處理對SiC粉體的影響

1)物相分析

對500目SiC粉和預(yù)處理500目SiC粉的物相進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，未經(jīng)預(yù)處理SiC粉和預(yù)處理500目SiC粉主要的晶型是6H-SiC，兩者均為六方相結(jié)構(gòu)，在2θ為34.097、35.658、38.136、60.010、71.765處有明顯的衍射峰，經(jīng)過標(biāo)定和比對發(fā)現(xiàn)與6H-SiC的標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS卡號72-0018)一致，對應(yīng)于卡片上的(101)、(006)、(103)、(110)、(116)晶面。預(yù)處理后SiC粉體特征峰和未經(jīng)處理SiC粉體的特征峰高度吻合，說明1 750 ℃預(yù)處理后SiC粉體的物相未發(fā)生改變。

2)微觀形貌

圖2為1 750 ℃預(yù)處理前后的SiC粉末的形貌圖，其中圖2(a)為500目SiC粉原樣的形貌圖，由圖可見，SiC顆粒的形狀不規(guī)則且棱角尖銳，粒度分布較寬；圖2(b)為1 750 ℃預(yù)處理500目SiC粉后樣品的形貌圖，由圖可見，SiC顆粒尖角變得圓潤，細(xì)顆粒明顯減少，大顆粒表面變得光滑，顆粒粒徑分布明顯變窄。SiC顆粒凹面上的空位濃度高于凸面上的空位濃度，不同大小的顆粒之間也會存在空位濃度差，在一定溫度激發(fā)下，空位梯度驅(qū)動空位流動，空位流向空位濃度低的地方，原子則反向流動，流動到原子濃度低的地方，從而實(shí)現(xiàn)粒子的形貌改變，形貌改變的機(jī)理是表面擴(kuò)散。

3)粒徑分布

圖3是1 750 ℃預(yù)處理前后SiC粉體的粒度分布圖。由圖3可見，1 750 ℃預(yù)處理后的SiC粉比500目SiC粉的粒徑分布更為集中，未經(jīng)預(yù)處理的SiC粉體的D97為47.92 μm，預(yù)處理的SiC粉體的D97為39.29 μm。

通過對同一燒結(jié)溫度下不同級配燒結(jié)的SiC多孔陶瓷的強(qiáng)度進(jìn)行表征，確認(rèn)10 000目微粉摻量為30%，SiC多孔陶瓷的強(qiáng)度最高，故采用10 000目微粉摻量為30%的配比進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷微觀形貌的影響

圖4為不同燒結(jié)溫度的SiC多孔陶瓷斷面SEM圖，從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)經(jīng)預(yù)處理后，多孔陶瓷的孔徑分布明顯優(yōu)化。隨著燒結(jié)溫度升高，SiC多孔陶瓷的斷裂形式由沿晶斷裂變?yōu)榇┚嗔?。圖4(c)、圖4(f)由于燒結(jié)溫度高，細(xì)顆粒的表面飽和蒸氣壓變大，大量細(xì)顆粒蒸發(fā)凝聚形成燒結(jié)頸，發(fā)生二次結(jié)晶進(jìn)一步導(dǎo)致部分大晶粒長大。

2.3 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷孔徑分布的影響

圖5是不同燒結(jié)溫度下各級配的SiC多孔陶瓷孔徑分布圖。由圖5可見,隨著燒結(jié)溫度的升高，未經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的最可幾孔徑分布在3.17 μm、3.22 μm、3.44 μm左右，呈現(xiàn)增大趨勢，其對應(yīng)的孔徑分布百分比分別為70.6%、44.3%、32.6%。經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的最可幾孔徑分布在2.65 μm、2.93 μm、3.05 μm左右，呈現(xiàn)增大趨勢，其對應(yīng)的孔徑分布百分比分別為64.7%、53.3%、72.3%。逐一對比可以發(fā)現(xiàn)原料預(yù)處理可有效改善SiC多孔陶瓷的孔徑分布。

2.4 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷抗彎強(qiáng)度的影響

圖6是不同燒結(jié)溫度下各級配的SiC多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度。由圖6可見，未經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度分別為103.65 MPa、108 MPa、85.75 MPa，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，2 250 ℃樣品抗彎強(qiáng)度最高為108 MPa。經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷的抗彎強(qiáng)度分別為86.20 MPa、115.08 MPa、113.47 MPa，預(yù)處理后樣品強(qiáng)度顯著提升，2 250 ℃樣品抗彎強(qiáng)度最高為115.08 MPa?？箯潖?qiáng)度變化趨勢同圖4的SiC多孔陶瓷的微觀形貌變化相符。

2.5 燒結(jié)溫度對SiC多孔陶瓷開孔孔隙率的影響

圖7是不同燒結(jié)溫度下各級配的SiC多孔陶瓷的開孔孔隙率圖。由圖7可見，隨著燒結(jié)溫度升高，SiC多孔陶瓷的開孔孔隙率整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，和強(qiáng)度變化趨勢呈反比,主要是經(jīng)預(yù)處理和重結(jié)晶的綜合作用使得顆粒粒徑分別變窄，使得堆積密度增大。圖7(a)中2 250 ℃下經(jīng)預(yù)處理的SiC多孔陶瓷開孔孔隙率增大，這應(yīng)該是使用的市售粉體粒徑分布過寬或?qū)嶒?yàn)誤差所致。

3 結(jié) 論

a.SiC粉體預(yù)處理可顯著改善高溫重結(jié)晶燒結(jié)的SiC多孔陶瓷性能。預(yù)處理后的SiC粉體、10 000目微粉(摻量30%)經(jīng)2 250 ℃燒結(jié)后SiC多孔陶瓷開孔率為33.02%，平均孔徑為3.02 nm，彎曲強(qiáng)度為115.08 MPa。

b.預(yù)處理的主要機(jī)制是表面擴(kuò)散，空位從較大SiC的顆粒流向附于表面的較小顆粒，原子則從較小顆粒流向較大顆粒的空位；燒結(jié)溫度是影響重結(jié)晶燒結(jié)的最大因素。